通过模拟农药径流了解杀虫剂的危害

使用杀虫剂控制农作物中的害虫时，即使它已经完成使命，对环境的影响也会继续。杀虫剂会渗入人类和动物赖以生存的土壤和水源，将有害化学物质扩散到周围的生态系统中。随着时间的推移，杀虫剂中的活性成分会在释放后通过不同的反应被解除毒性，最终降解为无害物质。因此，了解各种杀虫剂在降解前后的径流模式和流动性，对于确保它的安全使用非常重要。通过模拟杀虫剂在土壤中的迁移和反应，我们可以建立系统的模型，并确定某种化学物质对人类和环境是否安全。

杀虫剂降解：涕灭威及其分解产物

涕灭威（aldicarb） 是一种杀虫剂，被用于控制许多作物（尤其是棉花）上的植食性昆虫的数量。涕灭威在降解的过程中，首先转化为有毒化学物质涕灭威亚砜和涕灭威砜，然后通过水解作用解除毒性，形成肟和腈。在确定一种化学品是否可以安全用于商业和家庭用途时，化学品的毒性是以其 LD₅₀ 值 （注：半数致死量， 表示在规定时间内，通过指定感染途径，使一定体重或年龄的某种动物半数死亡所需最小细菌数或毒素量。）来衡量的。涕灭威和涕灭威亚砜的 LD₅₀=0.9mg/kg，毒性非常高；而涕灭威砜的 LD₅₀=24mg/kg，毒性较低，但仍存在潜在危害。通过在 COMSOL Multiphysics 中建立模型，我们可以预测涕灭威降解所需的时间，以及涕灭威、涕灭威亚砜和涕灭威砜中的有毒成分随时间变化的空间浓度分布。

模拟进入不同孔隙度变饱和土壤的农药径流

假设我们想要了解涕灭威渗入相对干燥和变饱和土壤时的农药径流和降解模式。通过研究杀虫剂降解的反应机理，可以确定涕灭威及其降解产物的分解动力学和质量守恒方程。通过求解方程组，还可以确定降解过程的时间。

在建立农药径流系统时，我们可以想象涕灭威被装在地面上的一个水环中。水环下面的土壤是分层的，上层的渗透性比下层稍差。水通过水环渗入下面的土壤。为简单起见，我们只观察水流通过圆环底部的情况，并假设没有水流通过垂直壁。模拟的农药径流系统的几何结构如下所示：

农药径流系统中水环和土壤的几何结构。

由上图可以看到，代表涕灭威浓度的环，以及下部两层可渗透的土壤。几何结构的底部是几乎不透水的岩石层。当涕灭威渗入周围土壤时，会通过对流、弥散、吸附和挥发等方式进行迁移，并以恒定的浓度从几何结构顶部进入土壤。在土壤中，涕灭威发生反应并吸附在土壤颗粒中。

涕灭威、涕灭威亚砜和涕灭威砜三种溶质的吸附、降解和挥发过程与水体浓度成线性关系。起初，系统中的土壤是纯净的，没有杀虫剂径流的痕迹。然而，随着时间的推移，降解的涕灭威进入土壤并扩散。理查兹方程接口 可用于计算流体流动，而溶质运移接口 可用于预测溶解浓度和吸收污染物的迁移。

我们可以测量 100 天后下方土壤中残留的涕灭威和衰变产物的浓度。这些结果是基于反应机理和质量守衡方程获得的，如下图所示：

100 天内有毒物质涕灭威、涕灭威亚砜和涕灭威砜的浓度。

从图中可以看出，即使超过 100 天，土壤中的有毒化学物质浓度仍然很高。利用与空间和时间相关的模型设置得到的结果，我们还可以确定化学品在一定天数后渗入土壤的程度。

首先，模型计算了流体流入土壤的情况，可以确定含杀虫剂的水在 0.3 天和 1.0 天后流了多远。下图显示了模拟结果：

0.3 天（左）和 1 天后（右），变饱和土壤中的有效饱和度（表面图）、压头（等值线）和流速（箭头）。

接下来，让我们看看涕灭威和同样有毒的涕灭威亚砜在 1 天和 10 天后的浓度。随着流体流场不断深入土壤，原本纯净的土壤开始受到这两种剧毒化学品的污染。从下图中可以看到这些化学物质的浓度：

1 天后（注意颜色范围不同）、5 天后（左中和右中）和 10 天后（左下和右下）涕灭威（左上）和涕灭威亚砜（右上）的浓度。

10 天后，涕灭威的浓度达到了稳定状态，并且相对于源而言仅保持在局部位置。然而，涕灭威亚砜在 10 天后还没有达到稳定状态，而且在同一时间内覆盖的土壤面积更大。

模型下载

• 您可以从 COMSOL 案例库中下载杀虫剂在土壤中的运移和反应模型